伺服電機基本應用知識【中】
功能及作用比較
伺服電機與步進電機的性能比較
作為一種開環控制的系統，和現代數字控制技術有着本質的聯系。在目前國内的數字控制系統中，步進電機的應用十分廣泛。随着全數字式交流伺服系統的出現，交流伺服電機也越來越多地應用于數字控制系統中。為了适應數字控制的發展趨勢，運動控制系統中大多采用步進電機或全數字式交流伺服電機作為執行電動機。雖然兩者在控制方式上相似（脈沖串和方向信号），但在使用性能和應用場合上存在着較大的差異。現就二者的使用性能作一比較。
一、控制精度不同
兩相混合式步進電機步距角一般為 1.8°、0.9°，五相混合式步進電機步距角一般為0.72 °、0.36°。也有一些高性能的步進電機通過細分後步距角更小。如（SANYO DENKI）生産的二相混合式步進電機其步距角可通過撥碼開關設置為1.8°、0.9°、0.72°、0.36°、0.18°、0.09°、0.072°、0.036°，兼容了兩相和五相混合式步進電機的步距角。
交流伺服電機的控制精度由電機軸後端的保證。以三洋全數字式交流伺服電機為例，對于帶标準2000線編碼器的電機而言，由于驅動器内部采用了四倍頻技術，其脈沖當量為360°/8000=0.045°。對于帶17位編碼器的電機而言，驅動器每接收131072個脈沖電機轉一圈，即其脈沖當量為360°/131072=0.0027466°，是步距角為1.8°的步進電機的脈沖當量的1/655。
二、低頻特性不同
步進電機在低速時易出現低頻振動現象。振動頻率與負載情況和驅動器性能有關，一般認為振動頻率為電機空載起跳頻率的一半。這種由步進電機的工作原理所決定的低頻振動現象對于機器的正常運轉非常不利。當步進電機工作在低速時，一般應采用阻尼技術來克服低頻振動現象，比如在電機上加，或驅動器上采用細分技術等。
交流伺服電機運轉非常平穩，即使在低速時也不會出現振動現象。交流伺服系統具有共振抑制功能，可涵蓋機械的剛性不足，并且系統内部具有頻率解析機能（FFT），可檢測出機械的共振點，便于系統調整。
三、矩頻特性不同
步進電機的輸出力矩随轉速升高而下降，且在較高轉速時會急劇下降，所以其最高工作轉速一般在300～600RPM。交流伺服電機為恒力矩輸出，即在其額定轉速（一般為2000RPM或3000RPM）以内，都能輸出額定轉矩，在額定轉速以上為恒功率輸出。
四、過載能力不同
步進電機一般不具有過載能力。交流伺服電機具有較強的過載能力。以三洋交流伺服系統為例，它具有速度過載和轉矩過載能力。其最大轉矩為額定轉矩的二到三倍，可用于克服慣性負載在啟動瞬間的慣性力矩。步進電機因為沒有這種過載能力，在選型時為了克服這種慣性力矩，往往需要選取較大轉矩的電機，而機器在正常工作期間又不需要那麼大的轉矩，便出現了力矩浪費的現象。
五、運行性能不同
步進電機的控制為開環控制，啟動頻率過高或負載過大易出現丢步或堵轉的現象，停止時轉速過高易出現過沖的現象，所以為保證其控制精度，應處理好升、降速問題。交流伺服驅動系統為閉環控制，驅動器可直接對電機編碼器反饋信号進行采樣，内部構成位置環和速度環，一般不會出現步進電機的丢步或過沖的現象，控制性能更為可靠。
六、速度響應性能不同
步進電機從靜止加速到工作轉速（一般為每分鐘幾百轉）需要200～400毫秒。交流伺服系統的加速性能較好，以山洋400W交流伺服電機為例，從靜止加速到其額定轉速3000RPM僅需幾毫秒，可用于要求快速啟停的控制場合。
綜上所述，交流伺服系統在許多性能方面都優于步進電機。但在一些要求不高的場合也經常用步進電機來做執行電動機。所以，在控制系統的設計過程中要綜合考慮控制要求、成本等多方面的因素，選用适當的控制電機。
選型計算：
一、轉速和編碼器分辨率的确認。
二、電機軸上負載力矩的折算和加減速力矩的計算。
三、計算負載慣量，慣量的匹配，安川伺服電機為例，部分産品慣量匹配可達50倍，但實際越小越好，這樣對精度和響應速度好。
四、再生電阻的計算和選擇，對于伺服，一般2kw以上，要外配置。
五、電纜選擇，編碼器電纜雙絞屏蔽的，對于安川伺服等日系産品絕對值編碼器是6芯，增量式是4芯。
制動方式
用戶往往對電磁制動，再生制動，動态制動的作用混淆，選擇了錯誤的配件。
動态制動器由動态制動電阻組成，在故障、急停、電源斷電時通過能耗制動縮短伺服電機的機械進給距離。
再生制動是指伺服電機在減速或停車時将制動産生的能量通過逆變回路反饋到直流母線，經阻容回路吸收。
電磁制動是通過機械裝置鎖住電機的軸。
三者的區别：
(1)再生制動必須在伺服器正常工作時才起作用，在故障、急停、電源斷電時等情況下無法。動态制動器和電磁制動工作時不需電源。
(2)再生制動的工作是系統自動進行，而動态制動器和電磁制動的工作需外部繼電器控制。
(3)電磁制動一般在SV、OFF後啟動，否則可能造成放大器過載，動态制動器一般在SV、OFF或主回路斷電後啟動，否則可能造成動态制動電阻過熱。
調試方法：
1、初始化參數
在接線之前，先初始化參數。
在控制卡上：選好控制方式；将PID參數清零；讓控制卡上電時默認使能信号關閉；将此狀态保存，确保控制卡再次上電時即為此狀态。
在伺服電機上：設置控制方式；設置使能由外部控制；編碼器信号輸出的齒輪比；設置控制信号與電機轉速的比例關系。一般來說，建議使伺服工作中的最大設計轉速對應9V的控制電壓。比如，三洋是設置1V電壓對應的轉速，出廠值為500，如果你隻準備讓電機在1000轉以下工作，那麼，将這個參數設置為111。
2、接線
将控制卡斷電，連接控制卡與伺服之間的信号線。以下的線是必須要接的：控制卡的模拟量輸出線、使能信号線、伺服輸出的編碼器信号線。複查接線沒有錯誤後，電機和控制卡（以及PC）上電。此時電機應該不動，而且可以用外力輕松轉動，如果不是這樣，檢查使能信号的設置與接線。用外力轉動電機，檢查控制卡是否可以正确檢測到電機位置的變化，否則檢查編碼器信号的接線和設置
3、試方向
對于一個閉環控制系統，如果反饋信号的方向不正确，後果肯定是災難性的。通過控制卡打開伺服的使能信号。這是伺服應該以一個較低的速度轉動，這就是傳說中的“零漂”。一般控制卡上都會有抑制零漂的指令或參數。使用這個指令或參數，看電機的轉速和方向是否可以通過這個指令（參數）控制。如果不能控制，檢查模拟量接線及控制方式的參數設置。确認給出正數，電機正轉，編碼器計數增加；給出負數，電機反轉轉，編碼器計數減小。如果電機帶有負載，行程有限，不要采用這種方式。測試不要給過大的電壓，建議在1V以下。如果方向不一緻，可以修改控制卡或電機上的參數，使其一緻。
4、抑制零漂
在閉環控制過程中，零漂的存在會對控制效果有一定的影響，最好将其抑制住。使用控制卡或伺服上抑制零飄的參數，仔細調整，使電機的轉速趨近于零。由于零漂本身也有一定的随機性，所以，不必要求電機轉速絕對為零。
5、建立閉環控制
再次通過控制卡将伺服使能信号放開，在控制卡上輸入一個較小的比例增益，至于多大算較小，這隻能憑感覺了，如果實在不放心，就輸入控制卡能允許的最小值。将控制卡和伺服的使能信号打開。這時，電機應該已經能夠按照運動指令大緻做出動作了。
6、調整閉環參數
細調控制參數，确保電機按照控制卡的指令運動，這是必須要做的工作，而這部分工作，更多的是經驗，這裡隻能從略了。
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